基于現(xiàn)場總線和智能變送器的風洞氣流參數(shù)測量系統(tǒng)研制

馬寶峰,王 兵,鄧學鎣

(北京航空航天大學流體力學教育部重點實驗室,北京 100191)

0 引 言

對于低速風洞實驗而言,按相似模擬的要求,需要模擬的主要相似參數(shù)為來流雷諾數(shù)。按定義,來流雷諾數(shù)與來流風速、密度、粘性系數(shù)和模型特征尺度相關(guān),其中密度和粘性系數(shù)又與來流溫度和環(huán)境大氣壓有關(guān)。對于常規(guī)低速風洞,通常是通過改變風速和模型尺度來改變雷諾數(shù)的,如果研究對象對雷諾數(shù)不太敏感,可以假定來流密度和粘性系數(shù)是一常數(shù)。這一假定一般來說不會引起太大誤差,因為低速風洞發(fā)熱量相對不大,溫升相對較小。但是對一些對雷諾數(shù)十分敏感的流動現(xiàn)象,這一小的溫差也會對實驗結(jié)果產(chǎn)生定量甚至定性的改變,例如對圓柱繞流、旋成體大迎角的雷諾數(shù)研究等,因而有必要在計算雷諾數(shù)時考慮溫度乃至大氣壓的影響。這就需要對來流風速、溫度及環(huán)境大氣壓等氣流參數(shù)進行測量,以得到更為精確的雷諾數(shù)。

氣流參數(shù)各物理量的傳統(tǒng)測量裝置通常包括以下四部分：氣流參數(shù)測量探頭、與測量量相關(guān)的傳感器、信號調(diào)理器(放大、模擬濾波等)、A/D轉(zhuǎn)換器、計算機[1]。氣流參數(shù)測量探頭根據(jù)空氣動力原理制成,用于感知氣流參數(shù),稱一次儀器。而傳感器等采集設(shè)備稱二次儀器,通常將傳感器和信號調(diào)理器集成在一個設(shè)備內(nèi),稱為變送器,變送器出來的信號都是經(jīng)過放大、濾波等調(diào)理后的標準信號,一般為1～5V或0～40mA。變送器的信號一般為模擬信號,需經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后由計算機采集。

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)變送器逐漸被智能變送器所取代。所謂智能變送器是指以DSP(Digital signal processor)芯片為核心[2],將傳統(tǒng)測量裝置的四部分功能集成在一個設(shè)備里的現(xiàn)代儀器(有些變送器不包括傳感器,如溫度變送器)。DSP芯片在變送器中的作用類似于CPU在計算機中的功能,只是DSP的指令更側(cè)重于對數(shù)字信號的處理操作。在智能變送器中,傳感器測得的微弱模擬信號先經(jīng)過放大電路放大,再通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。一旦轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,以DSP芯片為核心的信號處理電路便可以對信號進行各種操作,例如,數(shù)字濾波、量程遷移等等。處理完的信號可以直接以數(shù)字量傳給計算機,也可以再通過D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)為模擬信號輸給其它模擬控制裝置。同時,計算機也可以發(fā)命令給變送器,進行一些采集參數(shù)的設(shè)置。智能變送器與計算機之間相互傳遞信息,遵循現(xiàn)場總線協(xié)議[3,4]。目前,世界主要的測控設(shè)備生產(chǎn)商已發(fā)展了多種現(xiàn)場總線協(xié)議。其中 Hart(Highway Addressable Remote Transducer)通信協(xié)議是一種既支持新型智能儀表的數(shù)字信號又兼容傳統(tǒng)模擬信號的現(xiàn)場總線協(xié)議,這是目前在智能變送器領(lǐng)域使用較多的總線協(xié)議[5,6]。

根據(jù)筆者的實踐經(jīng)驗,目前在風洞氣流參數(shù)采集中,很多使用者仍將智能變送器當作傳統(tǒng)變送器使用,按傳統(tǒng)方式采集數(shù)據(jù);而且,關(guān)于智能變送器在風洞中的應(yīng)用也未見公開報道。所以,筆者將介紹在北航D4風洞中研制開發(fā)的一套簡單實用的氣流參數(shù)測量系統(tǒng),該系統(tǒng)基于智能儀器和現(xiàn)場總線,可測量來流風速、溫度和環(huán)境大氣壓?；诓杉膩砹黠L速、溫度和環(huán)境大氣壓數(shù)據(jù),可進一步計算得到較為精確的來流雷諾數(shù)。這樣計算得到的雷諾數(shù)由于考慮了溫度和壓力的影響,比僅僅考慮來流速度計算得到的雷諾數(shù)更為精確,這對很多對雷諾數(shù)變化敏感的流動現(xiàn)象的研究十分重要。

1 氣流參數(shù)測量系統(tǒng)硬件的選型和集成

1.1 氣流參數(shù)測量探頭選型

風速測量探頭采用皮托管,這是風洞來流速度測量最常用的方式。系統(tǒng)所用皮托管為法國Kimo公司生產(chǎn),校準系數(shù)1.0015,安裝氣流偏角小于10°時,測量誤差小于1%。皮托管是通過測量來流總壓和靜壓進而間接得到來流風速,用皮托管探測來流總、靜壓不存在實質(zhì)困難,因而選型也比較簡單。

對于大氣壓測量因為是測量靜止空氣,不需要測量探頭,壓力測量傳感器直接通大氣。

1.2 傳感器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備選型

選擇壓力和溫度變送器時,為了利用智能設(shè)備和現(xiàn)場總線的優(yōu)勢,所選差壓變送器和溫度變送器都為帶DSP芯片的智能變送器,支持Hart通信協(xié)議。其中差壓變送器為塞爾瑟斯公司生產(chǎn)的V10系列智能壓力變送器,精度0.075%。溫度變送器為Siemens公司的Sitrans-TK/TK-H型智能溫度變送器,并定做了裝配式四線制熱電阻作為溫度測量傳感器,精度±0.2°C。此外,測量大氣壓的儀器若使用通常的工業(yè)用絕壓變送器并不適合,這類儀器是用來測量一定范圍的絕對壓力,而大氣壓測量要求測量的是在一較大壓力值附近的波動。本系統(tǒng)選用振筒式氣壓儀為北京力龍威華測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的LQY-1型高精度振筒氣壓儀,精度為±30Pa。該氣壓儀一般用于民用機場的氣壓數(shù)據(jù)測量,靈敏度很高,可感受從地面到人胸前這樣高度導(dǎo)致的氣壓差,本系統(tǒng)將該設(shè)備引入到風洞的環(huán)境氣壓測量。

1.3 測量系統(tǒng)硬件連接

圖1 氣流參數(shù)測量系統(tǒng)硬件連接圖Fig.1 Hardware connection for measurement system of airflow parameter

氣流參數(shù)的測量硬件通常包括：氣流參數(shù)測量探頭、傳感器和數(shù)據(jù)采集電路。測量系統(tǒng)硬件連接圖如圖1所示。來流風速測量采用皮托管作為測量探頭獲得總靜壓,總靜壓差經(jīng)差壓變送器轉(zhuǎn)換為Hart信號。來流溫度測量以裝配式熱電阻作為測量傳感器和探頭,該探頭位于風洞穩(wěn)定段以測量來流溫度,熱電阻出來的模擬信號經(jīng)溫度變送器轉(zhuǎn)為Hart信號,溫度變送器在物理連接上位于熱電阻探頭的頂端口蓋內(nèi)。差壓和溫度變送器出來的Hart信號所包含的數(shù)字量信息是以正弦形式存在的模擬信號(頻移鍵控技術(shù)),并非數(shù)字方波形式,不能被計算機直接采集,需要通過Hart適配器將以模擬形式存在的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為計算機可接受的數(shù)字信號。Hart適配器的作用類似于撥號上網(wǎng)用的調(diào)制解調(diào)器,即將串口發(fā)出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成智能變送器能識別的 Hart信號,同時也可以將智能變送器發(fā)出的Hart信號轉(zhuǎn)化成串口能識別的數(shù)字信號。與適配器相連后,智能差壓和溫度變送器之間是并聯(lián)關(guān)系,而Hart適配器與主機之間通過串口COM1相連,發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的波特率為 1200 bps。振筒式大氣壓計通過串口COM2與微機直接相連,大氣壓計是以觸發(fā)方式不斷的以ASCII碼數(shù)據(jù)格式向微機串口發(fā)送大氣壓值,發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率為9600 bps。振筒式氣壓儀與目前正在發(fā)展的硅諧振式氣壓儀同屬于數(shù)字傳感器[7],精度很高。

2 氣流參數(shù)測量系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 現(xiàn)場總線協(xié)議-HART協(xié)議解析

系統(tǒng)軟件部分涉及到的難點主要在于對Hart通信協(xié)議的解析,因為Hart協(xié)議是由Hart基金會制定的,只有加入基金會成為會員,才會獲得Hart協(xié)議的文本,從而知道如何發(fā)送通信命令,該協(xié)議文本對外界是不公開的。智能變送器廠商只會提供現(xiàn)成的采集軟件,不會提供協(xié)議本身。本系統(tǒng)開發(fā)時參照極少量公開發(fā)表的 Hart協(xié)議信息[8],并經(jīng)過自己的測試和推測,成功的實現(xiàn)了本系統(tǒng)的Hart通信。

2.2 程序流程

系統(tǒng)的采集程序采用VC6.0開發(fā),主要分為三部分：主程序、差壓和溫度智能變送器采集程序(Hart通信和串口通信程序)、大氣壓計采集程序(串口通信程序)。軟件的主程序流程框圖如圖2(a)所示。程序運行以后,首先判斷差壓變送器連接是否成功,如果成功,則采集皮托管總靜壓差;然后判斷溫度變送器連接狀況,如果連接成功,則采集來流溫度值;最后采集環(huán)境大氣壓值。除采集氣流參數(shù)值外,通過主程序還可以對智能變送器通過Hart協(xié)議設(shè)置采集參數(shù)。

差壓和溫度變送器具體的數(shù)據(jù)采集程序(Hart通信程序)流程圖如圖2(b)所示,兩個變送器采集流程類似,因而只給出一個流程圖。變送器通過適配器以Hart協(xié)議與微機通信,通信的方式是問答式的,給出采集請求,智能變送器便會給出測量值。

大氣壓計采集程序(串口通信程序)的流程圖如圖2(c)所示。大氣壓計是以觸發(fā)的方式不斷的以ASCII碼的數(shù)據(jù)格式向微機串口發(fā)送大氣壓值,微機每次接收到的大氣壓值由八位ASCII碼組成。大氣壓計采集程序就是通過串口接收大氣壓計發(fā)送的ASCII碼,并將其轉(zhuǎn)化為浮點數(shù)形式的大氣壓值。

圖2 氣流參數(shù)采集程序流程圖Fig.2 Flow chart of acquisition for airflow parameters

3 氣流參數(shù)測量系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 雷諾數(shù)的計算

3.2 在旋成體雷諾數(shù)效應(yīng)研究中的適用性

通過以上氣流參數(shù)的測量,可以得到精確的來流雷諾數(shù)。本節(jié)給出季節(jié)溫度和氣壓波動對來流雷諾數(shù)測量的影響,并給出了該影響對旋成體大迎角雷諾數(shù)研究的影響大小,從而進一步具體說明了以上參數(shù)測量的重要性。中國北方冬季氣溫低、氣壓高,而夏季溫度高、氣壓低。根據(jù)本實驗室監(jiān)測的結(jié)果,實驗室冬季風洞內(nèi)最低氣溫可達到 7℃,環(huán)境氣壓101700Pa;而夏季風洞內(nèi)溫度可達40℃,環(huán)境氣壓99000Pa。按該數(shù)據(jù),利用以上雷諾數(shù)計算公式,可得圖3所示雷諾數(shù)的差異,其中橫軸為來流風速,縱軸為計算的雷諾數(shù),雷諾數(shù)計算的參考長度取本實驗一旋成體模擬直徑(D=200mm)。

圖3 冬夏來流雷諾數(shù)的變化Fig.3 The variation of freestream Re at winner and summer

圖4 旋成體截面壓力分布隨雷諾數(shù)的變化[9]Fig.4 The variation of pressure distributions with Re[9]

圖4給出了一旋成體模型在大迎角下截面壓力分布隨雷諾數(shù)的變化,可見在上述雷諾數(shù)計算差異的范圍內(nèi),壓力分布已有較大變化?？梢妼饬鲄?shù)進行測量以得到精確的來流雷諾數(shù)對本實驗研究有重要意義。

4 結(jié) 論

在北航D4低速風洞中基于智能變送器和數(shù)字式振筒氣壓儀,實現(xiàn)了一套簡單實用的氣流參數(shù)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)變送器部分通過Hart協(xié)議實現(xiàn)通信。實踐證明,通過Hart通信的方式進行氣流參數(shù)采集有諸多優(yōu)勢。差壓和溫度變送器通過Hart適配器與計算機相連,計算機通過串口與適配器實行通信,從而不需要在微機上再裝A/D采集卡。并且通信方式為數(shù)字通信,從而保證信號具有更強的抗干擾能力。其次,通過Hart通信的方式,還可以對系統(tǒng)的重要參數(shù)(比如量程、溫度傳感器的線路補償方式)進行設(shè)置和得到系統(tǒng)已有的參數(shù)設(shè)置,這是A/D采集卡方式進行采集不能實現(xiàn)的。此外,系統(tǒng)中的振筒式氣壓儀由于其基于數(shù)字式傳感器原理,不需A/D轉(zhuǎn)換,即可由計算機直接采集,不僅精度高,也給采集數(shù)據(jù)帶來了很大方便。最后,在氣流參數(shù)采集的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了來流雷諾數(shù)的精確計算,給出了因為溫度、大氣壓的變化導(dǎo)致雷諾數(shù)計算的差異性,并分析了該差異對旋成體大迎角雷諾數(shù)效應(yīng)研究的影響。

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